보청기회사 WS audiology는 Figure 4 3D 프린팅 부품을 사용하여 

경질 소재 및 고무 생산성 도구를 위한 품질, 성능 및 제조 시간 향상

 

 

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선도적인 보청기 회사인 WS Audiology는 덴마크 린지 현장에서 생산 등급 집게, 고정 장치 및 원형 제작의 3D 프린팅을 통해 사출 성형 제조 공정의 품질과 기능을 향상 목적으로 3D Systems의 Figure 4 고속 3D 프린팅 솔루션을 채택했습니다. 

 

보청기 쉘 제조에서 3D 프린팅의 선구자인 WS Audiology는 솔루션의 주요 장점으로 Figure 4의 품질, 성능 및 소재 다양성을 인용하며, 다양한 제조 라인 및 제품 개발 과제를 해결하기 위해 3D 프린팅의 사용을 확대했습니다.

 

 

소형 부품 운송의 품질 및 기능 향상

 

WS Audiology의 Widex 브랜드 보청기 내에는 여러 다양한 사출 성형된 부품이 있습니다. 

 

부품은 각 보청기 안에 장착된 인케이싱, 접촉품 및 전자제품용 블록이 포함되며, 이들 중 일부 부품은 8mm x 3mm 정도로 매우 작습니다. 

 

아주 작은 크기 때문에, 이 범주 내에 있는 부품은 직접 손으로 만드는 것 보다는 로봇으로 만들어야 하고 대형 부품일 경우엔 suction 컵, 소형 부품에는 금속 집게가 필요합니다. 

 

그러나 이런 방식에는 단점이 있습니다. suction 컵은 부품을 적절히 방향을 조절하는데 어려움이 생겨, 이로 인해 그립 손실이 초래하고 금속 기반의 집게는 제조 리드 타임이 길어질 뿐만 아니라 부품에 흔적을 남기기 쉽습니다.

 

해결방안

 

01. 고정밀 3D 프린팅

WS Audiology는 상당히 높은 품질의 최종 제품과 8배의 생산성 증가를 포함하는 보청기 쉘을 제조하기 위해 3D 프린팅 사용의 몇 가지 주요 이점을 경험했습니다. 

 

이러한 기술의 성공에 따라, 워크플로 운송 문제를 해결하기 위해 회사의 3D 프린팅 응용 분야를 확장하려는 결정은 쉽게 내렸습니다.

3D Systems의 Figure 4 솔루션은 비접촉식 멤브레인을 사용하여 높은 정확도 및 놀라운 세부 정보 충실도를 초고속 프린트 속도와 결합하는 투영 기반 적층 제조 기술입니다. 

 

WS Audiology는 산업 등급의 내구성, 서비스 및 지원과 함께 속도, 품질 및 정확성은 물론 강화된 응용 분야 다목적성을 위한 빠른 재료 전환을 제공하는 저렴한 다목적 솔루션인 Figure 4® Standalone을 사용합니다.

02. 신속한 설계 반복

이 작업은 WS Audiology의 공구 세공 부서에 할당되었습니다. 

 

공구 세공 설계자인 Henry Federiksen에 따르면, Figure 4로 이 프로젝트를 맡은 덕분에 많은 자신감을 얻었고 솔루션의 속도로 인해 짧은 기간 내에 더 많은 부품을 생산, 테스트, 확인할 수 있게 되었습니다.

03. 생산 속도

Figure 4 솔루션 사용 시의 주요 이점은 공구 세공 없이 부품을 생산할 수 있다는 점입니다. 

 

WS Audiology는 디지털 파일에서 물리적 부품으로 직접 이동할 수 있어 일반적인 공정에서 상당한 시간을 감소할 수 있습니다. Frederiksen에 따르면 3D 프린팅 집게는 일반적으로 하루나 이틀이면 사용할 수 있어, 사출 성형 부서의 많은 고객들이 만족합니다.

 

                                                                                                                             

  

04. 제품 생산용 소재

 

WS Audiology의 생산성 공구 세공 응용 분야의 경우에는 Figure 4 PRO-BLK 10 및 Figure 4 RUBBER-65A BLK를 활용하고 있습니다. 장기간 사용을 위해 설계된 (ASTM 테스트 방법에 따라 실외 부품의 경우 최대 1.5년, 실내 부품의 경우 최대 8년) 소재 화학과 더불어, Figure 4 플랫폼에서 사용할 수 있는 소재의 범위로 인해 소재 특성의 다양성이 더 큰 광범위한 응용 분야를 다룰 수 있습니다. 

 

Figure 4 PRO-BLK 10은 생산 등급의 경질 소재이며 Figure 4 RUBBER-65A는 Shore 65A 경도 및 높은 연신율의 중간 인열 강도의 생산 등급 고무입니다.

 

 

결과

보다 우수한 성능 부품의 신속한 구현으로 성능, 다양성 및 구현 시간 향상 부품에 대한 보다 빠른 접근

1~2일 내에 사용 가능

부드러운 그립 취급

손상을 주는 금속 그립 대체

높은 생산량

매년 프린트되는 수백 개의 고유 부품

응용 분야의 다목적성

 

집게, 지그(jig), 고정장치 및 원형 제작 포함

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                     

 

 

 

Figure 4 부품으로 더 나은 퍼포먼스 핏 시스템에 전념하는 BOA

 

- 세밀한 고내구성 3D 프린트 부품으로 신발에 직접 테스트..퍼포먼스 핏 시스템 향상

 

투르 드 프랑스에 참가하는 사이클리스트들은 알든 모르든 절반 이상이 코스에서 장거리를 달려나갈 때 BOA® Fit System을 이용합니다. 또한 BOA 제품은 작업복, 의료용 보조기, 골프와 스노우보딩, 트레일 러닝 같은 스포츠에서도 공통적으로 활용하는데, BOA의 특허 제품으로서 3개 부품으로 구성된 피팅 시스템을 각자의 고성능 제품에 통합해 작업자와 선수의 집중력 유지를 돕습니다.

 

BOA Fit System은 다양한 업계에서 사용자에게 가장 뛰어난 성능을 선보이기 위해 BOA와 제휴하는 시장의 선도적 브랜드마다 자사의 제품에 통합하고 있습니다. 스포츠의 강도와 제품에 필요한 잠금장치의 힘에 맞게 설계되어 다양한 단계로 힘을 전달 할 수 있는 BOA의 성능 시스템은 빠르고 손쉬우면서도 정확한 피팅을 선보이도록 고안되었습니다.

고기능성 3D 프린팅 소재를 향한 여정

BOA Fit System의 주요 구성품 중 하나는 바로 다이얼입니다. 다이얼은 피팅된 기어로 발생하는 레이스 (lace) 장력에 따라 힘을 3단계로 전달 할 수 있도록 설계되었습니다. 여기에 포함되는 제품으로는 더욱 줄어든 기어로 하이 토크를 실현함으로서 2001년 BOA의 성공 가도를 열어 준 하이 파워 스노우보드 다이얼을 들 수 있습니다. 다니엘 힙우드 씨는 BOA의 수석 설계 엔지니어로서, 이와 같은 제품의 기계 설계 연구에 많은 시간을 쏟고 있습니다.

 

BOA에서는 수년간 3D 프린팅을 원형 제작에 활용해 왔지만, 힙우드 씨는 BOA의 응용 분야와 여기에 필요한 소재 성능을 일치시키는 것은 계속된 과제였다고 말합니다. BOA 제품은 소형인 데다 기계적 속성이 무엇보다 중요하기 때문에 상당수의 3D 프린팅 소재는 개념 검증과 미학적 부분 외에는 BOA에 도움이 되지 못했습니다.

 

힙우드 씨는 기존에 BOA에서 프린트했던 부품은 시간이 지나면 상태를 유지하지 못하고 취약해졌다고 설명하면서 다음과 같이 이야기합니다. "이용 가능한 소재 문제로 어려움이 정말 많았습니다. 개념을 잡고 3일 뒤 회의 때 데스크에서 떨어뜨려 보면 산산조각이 나곤 했죠. 필요한 해상도로 유사 열가소성 성능을 보이는 소재를 찾기가 정말 까다로웠고, 그와 같은 속성을 유지할 수 있으면서도 저희가 원하는 규모의 부품을 실제로 3D 프린트하기도 어려웠습니다."

 

당분간 BOA의 워크플로에 소량의 사전 제작 사출 성형 부품이 여전히 포함되기는 하겠지만, 이 업체는 툴링 공정을 시작하기 전에 설계의 한계와 속도를 한층 끌어올리고 자신감을 더할 수 있도록 3D 프린트 부품의 내구성과 최종 생산되는 사출 성형 부품의 차이를 메우고자 했습니다. 그리고 BOA는 ㅇㅇㅇㅇㅇㅇㅇㅇㅇㅇㅇ연구 끝에 3D Systems의 Figure 4 기술과 소재를 발견했습니다. 

 

Figure 4 로 더욱 신속한 테스트

자동차Figure 4 는 비접촉 박막을 이용해 정확도와 놀라운 수준의 디테일 충실도를 초고속 프린팅과 함께 선보이는 투영 기반 적층 제조 기술입니다. BOA는 3D Systems의 생산 등급 Figure 4 소재와 더불어 Figure 4® Standalone 을 이용해 생산 부품의 성능을 초기에 통찰할 수 있게 되었습니다. 기계로 가공하는 부품은 대개 3주나 기다려야 하지만, 현재 BOA는 Figure 4 를 활용해 당일 오후에 설계를 실제로 제작하고 있습니다.

 

BOA에서는 3D Systems의 Figure 4 소재 몇 가지를 이용하며, 가장 선호하는 소재는 Figure 4® PRO-BLK 10 입니다. BOA가 이전에 시험 삼아 이용해 본 다른 적층 소재와 달리 해당 고정밀 생산 등급 소재는 장기적 환경 안정성과 유사 열가소성 현상이 우수합니다. 이 소재는 유용성이 매우 크다고 입증되었고 자체 속성을 유지할 역량과 함께 해상도와 성능을 선보일 만한 소재를 찾던 BOA에 해답을 제시했습니다. 소재의 기능은 BOA의 목적에 아주 잘 맞았고, 이 업체는 최종 생산 부품과 Figure 4 부품 간의 상관관계 테스트를 계속 진행해 생산 단계로 넘어가기 전에 필요한 임계 성능 요건을 파악하고자합니다. 힙우드 씨는 "말 그대로 1대 1로 상응하는 경우도 있기 때문에, 성능이 당사의 사출 성형 구성품과 일치합니다."라고 이야기합니다.

 

                                                                                                                              

Figure 4 는 BOA에 필요한 해상도로 유사 열가소성 성능을 보장합니다.

BOA는 제품 개발의 일환으로 현실성 있는 원형 제작품을 신발에 일찍 적용해 설계 공정에 투입함으로서 테스트 담당자가 이를 접해 볼 수 있도록 하고자 합니다. 설계물이 최종 생산 단계까지 가지 못하더라도 BOA는 신발에 다이얼을 부착하고 루틴에 따라 과용 (abuse)함으로서 무엇이 제대로 기능하고 또 그렇지 못한지를 설계 및 성능 데이터로 수집할 수 있습니다. 다이얼을 금형된 구멍 없이 섬유에 꿰매기 위해서는 이와 같은 형태의 테스트가 필요합니다. 힙우드 씨에 따르면 기존의 플라스틱 중에서는 균열 없이 기능할 만한 UV 경화 소재를 찾는 일은 고사하고 스티칭이 가능한 소재를 찾기도 어려웠습니다." 플라스틱을 바늘로 뚫으려면 인성 (toughness)이 문제가 됩니다. 복원력이 우수할 뿐 아니라 다른 용도로도 쓰일 수 있을 만큼 충분한 강성을 유지하는 소재가 필요합니다. 이를 위해서는 부품 수를 줄이는 것이 매우 중요합니다. 그래야만 스티칭된 구성품이 고강성 플라스틱 소재를 요하는 다른 중요한 기능을 발휘할 수도 있을 테니까요." 힙우드 씨의 설명입니다. Figure 4 PRO-BLK 10은 이러한 방법으로 원형 제작에 사용할 수 있어 BOA에 큰 도움이 되었는데, 시간과 비용을 절약함으로써 최고의 성능을 위한 신속한 설계 반복이 가능했습니다. 

 

                                                                                                                                                   

BOA에서는 Figure 4 PRO-BLK 10 부품을 신발에 꿰매어 테스를 진행

 

BOA는 자사의 피팅 시스템과 더불어 평생 보증 정책인 The BOA Guarantee로도 잘 알려져 있습니다. 최초의 제품 품질은 그 무엇보다도 중요하고, 힙우드 씨와 BOA의 엔지니어링 팀은 기능적인 프린트 부품을 확보함으로써 설계 주기를 한층 단축하고 툴링 제작 후의 구성품 재설계를 줄이면서 혁신적인 신제품을 제공합니다. "모두가 자사의 제품을 축소하고 최적화하는데 힘을 쏟고 있으며, 따라서 금형이 이미 제작된 다음에야 문제를 찾는 일이 없도록 설계 공정에서 가급적 신속히 약점을 파악하는 것이 매우 중요합니다."

 

BOA에서 추가로 이용 중인 소재에는 고내구성의 회색 원형 제작 소재인 Figure 4® TOUGH-GRY 15 와 탄성 원형 제작 소재인 Figure 4® ELAST-BLK 10 이 포함됩니다. BOA에서는 레이스 다이얼 시스템 내의 소형 기계 부품만 아니라 심미적 개념 증명, 최종 사용 고정 장치, 고무 그립 오버몰드 또한 Figure 4 Standalone으로 프린트합니다.

 

성공적인 사업 성과

힙우드 씨의 설명에 따르면 BOA 가 3D Systems의 기술에 투자하게 된 데는 두 가지 요인이 있습니다. 첫 번쨰 요인은 3D Systems에서 선보인 지원 서비스와 전문성의 수준, 그리고 3D Systems 팀과의 논의가 BOA에 좋은 경험으로 기억되었다는 점입니다. 두 번째 요인은 3D Systems의 사업 성과에 있습니다. 3D 프린팅 업계의 문을 처음연 업체로서 탄탄하게 쌓아 올린 포트폴리오를 보유하고 있기에, BOA는 3D Systems와 손을 잡는다면 투자가 오래 지속될 수 있겠다는 확신을 얻었습니다. 힙우드 씨는 "다른 업체의 설명을 살펴봤더니 테스트를 제대로 거치지 않은 알파 버전이나 베타 버전의 제품 같았습니다." 라고 말합니다. 3D Systems는 혁신과 적층 제조 향상에 명확하게 집중하고 있으며, 그에 따라 업계에서 돋보일 수 있었습니다.

  

BOA에서는 Figure 4를 활용해 생산 부품의 성능을 초기에 활용

 

BOA는 Figure 4 도입 결정에 크게 만족하고 있습니다. 힙우드 씨는 "사내에서 상당수의 인원이 각자의 작업 검증에 프린터가 어떻게 유용하게 쓰이는지 설명할 수 있다."고 전합니다.

 

결과

1. 설계 검증 소요 시간이 3주에서 당일로 단축

2. 고내구성 PRO-BLK 10 소재를 신발에 직접 꿰매어 테스트 가능

3. Figure 4 원형 제작품과 생산 부품의 지속적 비교를 통해 최종 부품 성능 예측 가능

 

 

 

과제

• 개발 기간을 단축하고 공급망을 최적화하여 회사와 고객 모두에게 더욱 빠른 혁신과 합리적인 금액 구현하기.

 

해결 방안

• 3D Systems Figure 4 Modular 및 Figure 4 소재를 사용해 다목적 부품을 빠르게 생산합니다.

 

결과

• 빠른 시간 내에 기능성 부품 제조
• 금형 개발 주기를 1개월에서 2일로 단축
• 개발 간소화를 통한 비용 결과 개선
• 다양한 목적에 적합한 Figure 4 소재 포트폴리오를 통해 광범위한 응용 분야의 문제 해결

 

프랑스 회사인 Decathlon은 세계 최대 규모의 스포츠 상품 소매 업체로서 레크리에이션부터 대회 출전에 이르기까지 광범위한 장비를 제공합니다. 회사에서 출시한 브랜드만 100가지가 넘을 뿐만 아니라 매년 연구개발 팀을 통해 등록되는 특허도 매우 많습니다. Decathlon이 항상 강조하는 혁신은 경쟁 우위의 중심에서 가성비 높은 가격으로 높은 품질의 제품을 구현하는 데 커다란 역할을 하고 있습니다. 그 밖에도 Decathlon은 최첨단 생산 공정과 최적의 공급망, 그리고 소매 유통의  최소화를 통해 운영 비용을 낮게 유지함으로써 프랑스는 물론이고 전 세계에서 시장 점유율을 크게 넓히는 데 성공하였습니다.

 

Decathlon의 R&D 엔진을 구동하는 주요 동력은 3D Systems의 Figure 4® Modular를 비롯해 꾸준히 성장하고 있는 여러 가지 기능성 소재 포트폴리오에서 찾을 수 있습니다. Decathlon의 적층 제조 연구실(ADDLAB) 소속 소재 엔지니어인 Gregoire Mercusot에 따르면 Decathlon은 Figure 4 Modular의 도입으로 속도, 정밀도 및 다목적성에서 커다란 경쟁 우위를 확보할 수 있게 되었습니다.

 

Figure 4는 투영 기반 적층 제조 기술로서 비접촉 박막을 사용해 높은 정확도와 세밀한 충실도를 구현하는 동시에 빠른 프린트 속도를 자랑합니다. Figure 4 Modular는 확장이 가능한 반자동 3D 생산 솔루션으로 생산량에 따른 증설이 가능하도록 설계되었습니다. 또한 Figure 4 Modular는 단일 프린터 모듈에서 최대 24개까지 프린터 모듈을 중앙 컨트롤러와 구성할 수 있기 때문에 향후 비즈니스 성장에 따라 유연하게 대처할 수 있는 옵션이라고 할 수 있습니다.

 

Decathlon의 ADDLAB은 Figure 4 HI TEMP 300-AMB를 사용해 금형 제작용 마스터 패턴을 3D 프린트하여 출시 시간을 앞당기고 있습니다.

2일이면 프린트 가능한 금형 마스터 패턴

 

Decathlon은 처음에 민물 잉어 낚시용 웨이트 싱커를 제작하는 프로젝트에 Figure 4를 사용하여 성공을 거두었습니다. 웨이트 싱커는 낚시줄을 투영하고 낚시 바늘을 안정화하는 데 사용됩니다. 프로젝트는 Decathlon 팀원인 Gautier Destrebecq가 Decathlon의 경쟁력으로는 매장에서 제공할 수 있는 제품 옵션이 한 가지에 불과하다는 사실을 깨달으면서 시작되었습니다. 제품 옵션의 다양화를 원했던 Gautier Destrebecq는 몇 가지 모델을 개발하였습니다. 하지만 Decathlon의 금형 공급업체는 마스터 패턴을 제작할 수 있는 능력이 없었기 때문에 Decathlon은 부품을 제작하기 위해 다른 방법을 찾아야 했습니다.

 

Figure 4 Modular를 사용하기 전에는 금형 마스터 패턴을 제작하려면 마스터 패턴을 개발할 2차 공급업체가 필요했습니다. 일반적으로 Decathlon이 이러한 프로젝트를 시작해서 완료할 때까지 1개월이 걸리는 이유도 바로 여기에 있습니다. Gautier는 이러한 방법 대신에 Decathlon의 내부 ADDLAB에게 금형 제작 공정을 견딜 수 있는 경질 부품을 더욱 빠르게 제작할 방법을 찾아달라고 요청했습니다. 이러한 부품들은 180bar 압력에서 최대 160˚C의 온도에 노출되어도 형상과 정교한 피처를 유지할 수 있는 능력이 필요하기 때문입니다. 다양한 옵션을 테스트한 끝에 초고온 환경에서도 견딜 수 있도록 개발된 투명 경질 플라스틱 소재인 3D Systems의 Figure 4® HI TEMP 300-AMB에서 원하는 성능을 찾아냈습니다.

 

ADDLAB은 언제든지 신뢰할 수 있는 소재를 사용해 웨이트 싱커를 3D 프린팅한 후 금형 공급업체에게 보내 이틀만에 금형을 제작할 수 있었습니다. Decathlon은 이러한 공정 도입으로 엄청난 시간을 단축하였을 뿐만 아니라 내부에서 금형 마스터 패턴을 제작함으로써 제품 개발에 따른 추가 비용을 절감하고 출시 시간까지 앞당길 수 있었습니다. Destrebecq는 “마치 내부 3D 프린팅의 마법에 걸린 것 같습니다. 설계 부담이 줄었을 뿐만 아니라 기존 방식으로는 상상도 못하는 목표까지 달성할 수 있었으니까요."라고 자랑스럽게 말했습니다.

 

전반적인 R&D 발전에 기여하는 다목적 소재

Decathlon은 최대한 많은 제품 영역에서 혁신을 촉진할 목적으로 Figure 4의 다목적 소재를 이용해 광범위한 응용 분야에 따라 가장 적합한 소재 특성을 연결하고 있습니다. Mercusot는 Figure 4의 속도와 정밀도 외에도 플랫폼의 다양한 소재 선택과 유연성은 ADDLAB에서도 시스템 수요가 높은 이유라고 설명했습니다.

 

그 밖에 Decathlon에서 사용되는 소재는 다음과 같습니다.

• Figure 4® PRO-BLK 10: Mercusot에 따르면 최대 62mm/hr에 이르는 고속 프린트를 비롯해 열가소성 플라스틱과 같은 특성을 지닌 Figure 4 PRO-BLK 10은 다양한 ADDLAB 프로젝트에서 실용적이고 효과적인 옵션입니다. 이 소재의 표면 품질 우수성에 Figure 4 프린팅의 정밀도까지 더해지면서 Decathlon은 안정적인 반복 작업을 이어가는 데 커다란 도움을 받고 있습니다. 부품 예로는 교체가 가능한 접이식 부속품이 장착되는 어셈블리가 있습니다.
• Figure 4® FLEX-BLK 20: 이 검은색 플라스틱 소재는 피로 저항이 우수할 뿐만 아니라 생산 등급 폴리프로필렌과 흡사하여 실제로 폴리프로필렌 소재로 출시되는 제품을 사전에 광고하는 데 사용되고 있습니다. 부품 예는 자전거 구성품 같은 품목을 포함해 매우 광범위합니다.
• Figure 4® RUBBER-BLK 10: 이 소재는 반동이 느린 경질 고무로 변형 시뮬레이션에 적합하여 Decathlon에서도 그립, 타이어 트레드, 신발 인솔 테스트 등 접촉이 일어나는 응용 분야에서 다양하게 사용됩니다.

우수한 설계와 최적의 공정을 통한 높은 품질의 제품 생산

Decathlon은 가장 합리적인 가격으로 최고의 제품을 설계하는 동시에 혁신을 통해 누구나 즐길 수 있는 품질과 성능을 구현함으로써 모든 사람들에게 스포츠의 매력을 끊임없이 선사한다는 사명을 가지고 있습니다. 3D Systems의 Figure 4 Modular 시스템 및 소재 도입은 이러한 사명에 완벽하게 부합할 뿐만 아니라 Decathlon이 사명을 실천하는 데도 커다란 도움이 되고 있습니다.

 

과제

- 휴대 가능한 고속 진단 테스트를 위해 생체에 적합하고 기능적인 마이크로플루이딕스(Microfluidics) 구성요소를 개발합니다.

 

해결방안

- 3D Systems의 Figure4 독립형과 생산 등급의 생체적합성 소재

 

결과

- 생체에 적합한 마이크로플루이딕스(Microfluidics) 매니폴드의 고속 반복
- 생체적합성 소재는 필요한 생화학 반응을 억제하지 않음
- 효율성 개선을 위해 배치 후처리
- 3D프린트의 속도와 정확성으로 더 많은 실험적인 설계 가능

 

전세계적으로 놀랍도록 급속한 COVID-19의 전파로 인해 쉽게 사용할 수 있고 신속한 질병 진단의 중요성이 강조되었습니다. 

질병 테스트 역량을 통해 추가 확산을 막는 억제 능력을 개선할 수 있을 뿐 아니라 전염병학자가 더 많은 정보를 수집해 보이지 않는 위협을 더 잘 파악할 수 있습니다. 

전파 수단의 공개부터 감염율까지 이제 전염병 테스트의 중요성이 전 세계적으로 인정되고 있습니다.

 

Pantelis Georgiou 박사가 이끄는 Imperial College London의 연구팀은 Lacewing이라는 병원체 감지를 위한 프로젝트를 통해 이 문제를 정면으로 다루고 있습니다. 

클라우드 서버와 동기화된 스마트폰 앱에서 20분 내로 결과를 제공하는 Lacewing은 SARD-CoV-2-RNA를 포함하여 휴대할 수 있는 질병 테스트가 가능하도록 하고 지오태깅을 통해 질병 진행 단계의 추적을 자동화합니다. 

분자생물학과 최첨단 기술을 결합해 진단의 세계에서 접근과 정보 격차를 메우겠다는 '첨단 랩 (lab-on-a-chip)' 플랫폼입니다. 

다른 진단 기술에는 고가의 대형 광학 장비가 필요한 데 반해 전기 감지 방법과 소형 Lacewing은 접근 방식의 진정한 혁신입니다.

 

Lacewing의 기술 중 핵심은 3D Systems Figure 4® Standalone 3D 프린터와 생체적합성 생산 등급 소재입니다. 

Imperial College 박사 과정 학생이자 연구 조교인 Matthew Cavuto에 따르면 마이크로플루이딕스 (microfluidics) 및 기능성 구성요소의 원형 제작과 생산에 모두 사용되는 핵심 Lacewing 구성요소는 Figure 4의 기능에 기반하여 설계되었다고 합니다. 

"마이크로플루이딕스 (microfluidics)는 까다로운 문제로, 고가의 느리고 노동 집약적인 무균실 프로세스를 통해 전통적으로 제작되었습니다." 

"Figure 4를 통해 칩의 여러 감지 영역으로 샘플 유체를 전송하는 복잡한 내부 3D 유체 채널이 있는 부품을 빠르게 프린트할 수 있어서 마이크로플루이딕스 (microfluidics) 생산 역량이 크게 개선됩니다."

 

이 프로젝트에서 설계 요소가 중요한 것만큼 고도로 정교한 솔루션의 한 조각일 뿐입니다. 

3D Systems의 Figure 4로 가능해진 부품 복잡성 및 세부구조 충실도 외에도 이 3D 프린팅 솔루션으로 연구팀은 프린트 속도, 프린트 품질, 생체적합성 소재 옵션 면에서 도움을 받았습니다.

 

<Figure 4 PRO-BLK 10으로 프린트한 인클로저 내부에 있는 Figure 4 MED-AMB 10으로 3D 프린트한 미소유체 카트리지>

 

COVID-19 테스트 요구에 부응하는 빠른 반복

Lacewing 플랫폼은 현재 2년이 조금 넘는 기간 동안 개발되고 있으며 환자 샘플 내 병원체의 DNA나 RNA를 식별하여 작동하는 분자 진단 테스트입니다. 

이 유형의 테스트를 통해 특정 질병(뎅기열, 말라리아, 결핵, COVID-19 등)에 감염되었는지 여부뿐만 아니라 증상의 심각도를 더 잘 알 수 있는 감염의 정도까지 판단할 수 있습니다.

 

COVID-19 발발 이전에 이 테스트의 원동력은 세계 벽지에서 휴대할 수 있는 테스트를 가능하게 하는 것이었습니다. 

스마트폰 시대에 휴대성은 당연한 것으로 생각되는 경우가 많지만 분자 진단에는 전통적으로 고가의 대형 실험실 장비가 필요했습니다. 

Lacewing은 마이크로칩을 사용하여 이전의 광학 기법을 전기 기법으로 대체하고 Figure 4 모듈형과 생체적합성 소재를 사용하여 빠르게 원형을 제작하고 반복적으로 생산되었습니다. 

각 Lacewing 마이크로플루이딕스 (microfluidics) 카트리지는 대략 30mm x 6mm x 5mm로, 10마이크론 레이어로 프린트되었습니다.

 

연구팀이 세계적인 COVID-19 테스트 요구에 부응하여 테스트를 조정하면서 거의 매일 새로운 설계를 프린트하기 시작했습니다. 

Cavuto는 이 상황에서 장비 속도가 가장 큰 이점이었다고 했습니다.

"어떤 때는 Figure 4로 특정 구성요소의 세 가지 버전을 하루에 프린트하고 테스트할 수 있었습니다." 

설계를 빠르게 반복하는 이 능력은 새로운 것을 시도하는 어려움을 제거했고 그 결과로 발생한 실험과 향상된 정보 수집으로 인해 시스템이 전반적으로 개선되었습니다. 

"지난 2달 동안 30가지 버전을 수월하게 시도했습니다." Cavuto의 말입니다.

 

팀은 SOLIDWORKS로 부품을 모두 설계하고 3D Sprint® 소프트웨어를 사용하여 각 빌드를 설정합니다. 

3D Sprint는 3D Systems의 올인원 소프트웨어로, 3D 프린트 공정을 준비, 최적화 및 관리하며 팀에서 예상치 못한 문제를 발견하고 해결하는 데 유용했습니다. 

"가끔 발생하는 STL 오류는 3D Sprint의 준비 탭에서 해결할 수 있습니다." 

 

과거 다양하게 많은 3D 프린터를 사용한 Cavuto는 프린트 시간, 비용, 품질 면에서 장애가 적어서 Figure 4가 다르다고 말합니다. 

다른 프린터의 경우 Cavuto는 시간과 소재 비용 면에서 모두 프린트 가치가 있는지 의문이 들었지만 Figure 4를 사용하면서 그런 의문이 사라졌습니다. 

"부품을 프린트하고 잘 작동하는지 확인합니다. 잘 작동하지 않으면 재설계해서 단 몇 시간 만에 다시 프린트합니다." 

Cavuto의 설명입니다. 

"프린터의 속도가 워낙 빨라서 아주 신속하게 반복할 수 있습니다."

 

<소재의 생체적합성은 억제 없이 의도한 반응이 발생하는 데 중요합니다.>

 

 

진정한 생체적합성 소재는 화학 반응을 억제하지 않습니다.

고속 테스트 옵션을 위한 시간 압박에도 불구하고 속도는 연구팀에 가장 중요한 요소가 아니었습니다. 이 응용 분야는 DNA와 직접 접촉하기 때문에 특정 생체적합성 소재로만 가능합니다.

 

Imperial College팀은 Figure 4® MED-AMB 10, 즉 생체적합성에 관한 ISO 10993-5 및 10 표준(세포 독성, 민감도, 자극)*을 충족하는 투명 황색 소재를 사용하며 오토클레이브를 통해 살균 가능합니다. 이 소재는 반투명 마이크로플루이딕스 (microfluidics) 매니폴드에 사용합니다. "Figure 4 MED-AMB 10은 PCR 반응에서 인상적인 생체적합성을 보여주었습니다." Cavuto의 설명입니다. "과거에 사용했던 많은 소재는 이 반응을 억제했지만 Figure 4 MED-AMB 10은 화학 반응과 상호작용이 적었습니다." 이 사실은 프로젝트 전체에 매우 중요합니다. 생산 소재에 의한 간섭으로 인해 의도한 반응이 지연되거나 발생하지 않을 수 있기 때문입니다.

 

Figure 4의 다양한 소재 포트폴리오 사용

팀에서는 Lacewing의 미소유체 구성요소를 프린트하는 데 Figure 4 MED-AMB 10을 사용할 뿐만 아니라 장치 인클로저에는 생산 등급의 경질, 내열성 소재인 Figure 4® PRO-BLK-10을, 장치 전체의 개스킷에는 새로 출시된 탄성 소재 Figure 4® RUBBER-65A BLK를 사용합니다.  Lacewing의 한 부분은 모양과 감촉이 생산 폴리프로필렌과 같은 소재인 Figure 4® FLEX-BLK 20으로도 제작됩니다.  전자 장치와 일부 하드웨어를 제외하고 현재 거의 장치 전체를 Figure 4 시스템으로 생산합니다.

 

20분 이내로 세척 및 후처리 완료

깨끗하고 매끄러운 표면은 Lacewing 카트리지의 최종 성능에 매우 중요합니다. 이런 이유로 연구팀은 단일 레이어로 카트리지를 프린트하기 위해 Figure 4의 쌓기 또는 겹치기 기능을 사용하지 않습니다. 프로젝트가 여전히 설계 단계에 있으므로 팀에서는 아직 제작판을 완전히 로드하지 않았지만 한 번에 약 30개의 미소유체 카트리지를 최대 제작 용량으로 예상합니다.

 

응용 분야의 민감도를 감안하면 후처리가 중요합니다. 프린트되고 나면 부품은 IPA 배스에서 세척하고 경화 및 연마 처리 후 다시 세척하여 부품에 잔여물이나 연마 입자가 완전히 제거되도록 합니다. Cavuto는 "어떤 경우에도 오염이 되지 않는 것이 가장 중요합니다"라고 말합니다. "깨끗하고 멸균 처리된 부품을 유지하는 것이 성공적인 반응과 정확한 진단에 중요합니다."

 

전체적으로 Cavuto는 후처리에 걸리는 시간이 20분 이내이고 대부분의 부품은 한 번에 공정을 마칠 수 있다고 예상합니다.

 

 

개발 및 혁신을 위한 새로운 기능

"Figure 4를 통해 프린트할 수 있는 것이나 만들 수 있는 것이 늘었습니다." "해상도, 속도, 표면 품질, 소재 범위, 생체적합성 면에서 Figure 4와 견줄 만한 것은 없습니다. 이제까지 거의 모든 유형의 3D 프린터를 사용해 봤습니다."

 

Imperial College 연구팀은 COVID-19 테스트를 조만간 영국국립보건서비스(NHS)에서 검증 받아 향후 6개월 내로 생산 확대에 나설 계획입니다. Lacewing의 작동 방식을 자세히 확인하려면 Imperial College 연구팀의 이 정보 페이지를 살펴보십시오.

 

3D Systems Figure 4와 생체에 적합한 생산 등급 소재를 자세히 알아보려면 소재 백서를 다운로드하십시오.

 

* 생체 적합성은 ISO 10993-5 및 -10에 따라 설정된 단일 기하형상 및 샘플에 대해 3D Systems에서 실시한 테스트를 기준으로 합니다. 사용자는 사용 적합성 및 응용 분야에 대한 생체 적합성을 확인해야 합니다.